No encontré mi pregunta respondida en otro lugar, así que aquí está.
Estoy haciendo un proyecto en mi primer curso de óptica y estamos leyendo un poco sobre el enfriamiento Doppler. Entiendo que un láser está sintonizado a una frecuencia en la que la energía del fotón corresponde a una energía ligeramente por debajo de la energía necesarios para excitar los átomos de gas, y que un átomo que se mueve hacia el láser a alta velocidad (en relación con el resto del gas) experimentará un desplazamiento hacia el azul que permite que el átomo absorba el fotón, lo que lo ralentiza.
También entiendo que el fotón se vuelve a emitir en una dirección aleatoria, lo que por supuesto significa que la velocidad del átomo en la dirección del láser disminuirá. Lo que no estoy seguro de entender es cómo la reemisión del fotón no solo devuelve al átomo a la misma energía cinética (pero con una dirección de movimiento diferente).
No he podido encontrar una fuente que explique esto, pero aquí está mi propio intento de explicación (que no estoy seguro de que sea correcto, por eso pregunto aquí): El fotón absorbido tiene una energía (en el marco de la laboratorio) de que es ligeramente menor que la energía de absorción . Pero después de la absorción, la velocidad del átomo se reduce, por lo que el fotón se emitirá con una frecuencia diferente. (en el marco del laboratorio). Dado que la velocidad del átomo (en relación con el marco del laboratorio) se ha reducido por la absorción, la energía del fotón emitido estará más cerca de , de este modo (el último paso de la explicación solo funciona si la velocidad del átomo perpendicular al láser no es mayor que la velocidad paralela al láser para la mayoría de los átomos, pero dado que el láser está sintonizado para golpear solo los átomos que se mueven rápidamente, esto parece lo suficientemente improbable como para no invalida la explicación).
¿Es correcta esta explicación o me he equivocado? He tomado un curso de relatividad especial, pero todavía no tengo mecánica cuántica, así que, si es posible, mantenga la mecánica cuántica al mínimo.
Aquí hay algunos argumentos intuitivos; Creo que son válidos, pero ha pasado mucho tiempo desde que pensé en estas cosas, por lo que estoy abierto a comentarios/mejoras.
La descripción simple del enfriamiento Doppler:
Debido a la desafinación, la probabilidad de absorción de un fotón es mayor para un átomo que se mueve hacia la fuente de luz, y en el proceso de absorción del fotón, el átomo pierde impulso en la dirección en la que se dirigía.
Cuando vuelva a emitir el fotón, será en una dirección aleatoria; por lo tanto, no habrá un impacto neto en el impulso de los átomos. Esto es suficiente para ver que los átomos "desaceleran" en la dirección del haz, pero no lo suficiente para ver que pierden energía en total.
Para ver que la energía es menor, imagine que el átomo tenía un impulso inicial dónde = cantidad de movimiento del fotón. Después de la absorción, el átomo tiene impulso. . Ahora bien, si volvemos a emitir el fotón a 90 grados con respecto a la dirección original, el momento neto es y así la energía cinética del átomo, que escala con el ímpetu al cuadrado, es más baja de lo que era. Solo si el fotón se vuelve a emitir en la dirección original, no verá ningún cambio neto en la energía.
Esto plantea la pregunta: ¿qué pasó con la energía? Parece que no hicimos ningún trabajo en el sistema: entró la misma cantidad de energía (un fotón) que salió (el mismo fotón, salvo pequeños efectos relativistas que son mucho más pequeños que la caída en la energía cinética del átomo). No creo que el cambio en la longitud de onda explique esto.
Sospecho que aquí es donde entra la entropía: dado que este proceso en realidad disminuye la entropía del sistema, debemos haber trabajado en el sistema: . Entonces, la energía necesaria para reducir la entropía se tomó de la energía cinética del átomo.
Aquí hay una puñalada en él:
No creo que deba considerar el cambio en la frecuencia de la luz dispersada para comprender cómo funciona el enfriamiento Doppler; de hecho, un argumento de conservación del impulso suele ser más perspicaz.
En pocas palabras, tienes la parte central de esto abajo. El campo láser con el que interactúa el átomo está desafinado en rojo en frecuencia a una transición de estado excitado, de modo que los átomos con cualquier velocidad en la dirección de la trayectoria del haz ven la frecuencia del láser Doppler desplazada en una cantidad proporcional a su velocidad más cercana a su frecuencia de transición. Este desplazamiento Doppler hace que los fotones parezcan tener una energía más alta en el marco atómico. No es que el fotón realmente tenga dos energías separadas, sino que esto es solo una especie de adición entre la energía del fotón y una parte de la energía cinética del átomo en movimiento. El átomo y el fotón se encuentran a mitad de camino, por así decirlo.
En la imagen del momento, el átomo experimenta una "colisión" con el fotón que va en la dirección opuesta, lo que lleva a una reducción de la velocidad del átomo en esa dirección. Cuando se remite el fotón, se emite en una dirección aleatoria. Mientras que el átomo ahora se mueve con una nueva velocidad en una dirección opuesta al fotón emitido, el fotón se emite con una energía que coincide con la energía de transición, ligeramente más alta que la frecuencia de la luz absorbida.
Si bien no se pierde energía neta en nuestro sistema cuando se absorbe el fotón (la colisión es elástica ), la forma en que la energía se distribuye entre el átomo y el fotón no es la misma que cuando se emite el fotón. En esta anticolisión (emisión) "inelástica" subsiguiente, el fotón se va con más de lo que empezó. El número de eventos de dispersión es lo suficientemente alto como para que, a lo largo de muchas emisiones, la contribución neta al movimiento del átomo que no está a lo largo de la trayectoria del haz y la trayectoria del átomo tenga un promedio de 0.
Básicamente, arrojar una unidad de impulso consistentemente desde una dirección específica a un montón de direcciones aleatorias que se cancelan. Todavía está conservando energía en el sistema, pero se está eliminando una pequeña cantidad de energía en forma de emisión de fotones en otras direcciones.
También puede estar interesado en ver el límite de enfriamiento Doppler ( cuando absorber y enviar un fotón no conduce a una mayor pérdida de energía cinética debido a que el proceso de absorción y emisión se comporta de manera elástica), o también cómo se usan los campos magnéticos en conjunto. para preparar trampas atómicas y melazas ópticas.
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Jéssica Hansen
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